從技術(shù)層級分析典型的嵌入式系統設計是什么樣的？

嵌入式系統的典型特征是面向用戶(hù)、面向產(chǎn)品、面向應用的，市場(chǎng)應用是嵌入式系統開(kāi)發(fā)的導向和前提。一個(gè)嵌入式系統的設計取決于系統的需求。本文主要給大家分享一個(gè)典型的嵌入式系統設計。供大家參考!

通常來(lái)說(shuō)，一個(gè)嵌入式系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程如下：

確定嵌入式系統的需求;

設計系統的體系結構：選擇處理器和相關(guān)外部設備，操作系統，開(kāi)發(fā)平臺以及軟硬件的分割和總體系統集成;

詳細的軟硬件設計和RTL代碼、軟件代碼開(kāi)發(fā);

軟硬件的聯(lián)調和集成;

系統的測試。

一、步驟1：確定系統的需求：

嵌入式系統的典型特征是面向用戶(hù)、面向產(chǎn)品、面向應用的，市場(chǎng)應用是嵌入式系統開(kāi)發(fā)的導向和前提。一個(gè)嵌入式系統的設計取決于系統的需求。

1、MVB總線(xiàn)簡(jiǎn)介

列車(chē)通信網(wǎng)(Train CommunicaTIon Network，簡(jiǎn)稱(chēng)TCN)是一個(gè)集整列列車(chē)內部測控任務(wù)和信息處理任務(wù)于一體的列車(chē)數據通訊的IEC國際標準(IEC-61375-1)， 它包括兩種總線(xiàn)類(lèi)型絞線(xiàn)式列車(chē)總線(xiàn)(WTB)和多功能車(chē)廂總線(xiàn)(MVB)。

TCN在列車(chē)控制系統中的地位相當與CAN總線(xiàn)在汽車(chē)電子中的地位。多功能車(chē)輛總線(xiàn)MVB是用于在列車(chē)上設備之間傳送和交換數據的標準通信介質(zhì)。附加在總線(xiàn)上的設備可能在功能、大小、性能上互不相同，但是它們都和 MVB總線(xiàn)相連，通過(guò)MVB總線(xiàn)來(lái)交換信息，形成一個(gè)完整的通信網(wǎng)絡(luò )。在MVB系統中，根據IEC-61375-1列車(chē)通信網(wǎng)標準， MVB總線(xiàn)有如下的一些特點(diǎn)：

拓撲結構：MVB總線(xiàn)的結構遵循OSI模式，吸取了ISO的標準。支持最多4095個(gè)設備，由一個(gè)中心總線(xiàn)管理器控制。簡(jiǎn)單的傳感器和智能站共存于同一總線(xiàn)上。

數據類(lèi)型：MVB總線(xiàn)支持三種數據類(lèi)型：

a.過(guò)程數據：過(guò)程變量表示列車(chē)的狀態(tài)，如速度、電機電流、操作員的命令。過(guò)程變量的值叫過(guò)程數據。它們的傳輸時(shí)間是確定的和有界的。為保證這一延遲時(shí)間，這些數據被周期性地傳送。

b.消息數據：消息被分成小的包，這些包分別被編號并由目的站確認。消息包及與之相關(guān)的控制數據形成消息數據。消息數據以命令方式傳輸。功能消息被應用層所使用;服務(wù)消息用于列車(chē)通信系統自身的管理等。

c.監視數據：是短的幀，主設備用它作同一總線(xiàn)內設備的狀態(tài)校驗、聯(lián)機設備的檢測、主權傳輸、列車(chē)初運行和其它管理功能。

介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)形式：MVB總線(xiàn)支持RS485銅介質(zhì)和光纖。其物理層的數據格式為1.5Mbps串行曼徹斯特編碼數據。

MVB的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)是由總線(xiàn)管理器BA進(jìn)行管理的，總線(xiàn)管理器BA是唯一的總線(xiàn)主設備，所有其它設備都是從設備。主設備按照某種預定的順序對端口進(jìn)行周期性輪詢(xún)，在周期的間隔中，主設備轉而處理偶發(fā)性請求。

可靠性措施：MVB容錯措施包括

發(fā)送的完整性：鏈路層有擴充的檢錯機制，該機制提供的漢明碼距為8，可檢測位、幀和同步錯誤。

故障的獨立性：通常對銅介質(zhì)進(jìn)行完全雙份配置，以確保設備故障的獨立性。

發(fā)送的可用性：可用性可以通過(guò)介質(zhì)冗余、電源冗余、管理器冗余等措施得以提高。

2、MVB系統的基本需求如下：

a. 完全與IEC-61375-1(TCN) 國際標準兼容，支持MVB總線(xiàn)定義的三種數據類(lèi)型過(guò)程數據，消息數據，監視數據。

b. 系統可配置成為：

i. 總線(xiàn)管理器(BA)功能

ii. 總線(xiàn)管理器(BA)功能和通信功能

iii. 獨立的通信功能

c. 采用ARM7TDMI的處理器

d. 采用實(shí)時(shí)操作系統

e. 供TCN的實(shí)時(shí)協(xié)議棧協(xié)議(RTP)

f. 支持 4096 邏輯端口的過(guò)程數據

g. 支持與上位PC104主機的雙口RAM接口

h. 輸入電壓5V

i. 工作環(huán)境溫度：-40℃～75℃

3、其他需求

多功能車(chē)輛總線(xiàn)MVB系統與用戶(hù)的列車(chē)控制系統同步設計，有著(zhù)嚴格的時(shí)間限制。

二、步驟2：設計系統的體系結構，協(xié)同分配硬件/軟件方面的要求

嵌入式系統包含硬件和軟件兩部分：硬件架構上以嵌入式處理器為中心，配置存儲器、 I/O設備、通信模塊等必要的外設;軟件部分以軟件開(kāi)發(fā)平臺為核心，向上提供應用編程接口(API)，向下屏蔽具體硬件特性的板級支持包BSP。嵌入式系統中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調工作，共同完成系統預定的功能。根據OSI的七層模型可以確定鏈路層和物理層由硬件實(shí)現，其他各層由軟件實(shí)現，如圖1。

圖1：MVB的OSI模型和MVB系統軟硬件劃分。

1、嵌入式操作系統選擇：

通常而言，為一個(gè)嵌入式系統選擇操作系統要考慮如下幾個(gè)因素：

操作系統支持的微處理器

操作系統的性能

操作系統的軟件組件和設備驅動(dòng)程序

操作系統的調試工具，開(kāi)發(fā)環(huán)境、在線(xiàn)仿真器(ICE)、編譯器、匯編器、連接器、調試器以及模擬器等等

操作系統的標準兼容性

操作系統的技術(shù)支持程度

操作系統是提供源代碼還是目標代碼

操作系統的許可使用情況

操作系統的開(kāi)發(fā)者聲譽(yù)狀況

根據系統的需求和以上的原則，在MVB系統中采用了Vxworks實(shí)時(shí)操作系統，VxWorks 是風(fēng)河公司(Windriver)開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統之一，以其優(yōu)秀的可靠性、實(shí)時(shí)性及內核的可裁減性，被廣泛應用于通信、軍事、航天、航空、工業(yè)控制等關(guān)鍵行業(yè)領(lǐng)域，其開(kāi)發(fā)環(huán)境為T(mén)ornado。

2、處理器的選擇：

在為嵌入式系統選擇處理器時(shí)需要考慮以下幾個(gè)方面：

性能：處理器必須有足夠的性能執行任務(wù)和支持產(chǎn)品生命周期。

工具支持：支持軟件創(chuàng )建、調試、系統集成、代碼調整和優(yōu)化工具對整體項目成功與否非常關(guān)鍵。

操作系統支持：嵌入式系統應用需要使用有幫助的抽象來(lái)減少其復雜性。

開(kāi)發(fā)人員過(guò)去的處理器經(jīng)驗：擁有處理器或處理器系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗可以減少可觀(guān)的學(xué)習新處理器、工具和技術(shù)的時(shí)間。

成本，功耗，產(chǎn)品上市時(shí)間，技術(shù)支持等等

在本系統的設計中，綜合以上各方面的因素，考慮到處理器性能，操作系統支持以及列車(chē)上嚴酷的工業(yè)環(huán)境等等，在MVB系統中選用了ATMEL用于工業(yè)控制領(lǐng)域的工業(yè)級的AT91系列ARM處理器AT91M40800，它是基于A(yíng)RM7TDMI內核，內含高性能的32位RISC處理器、16位高集成度指令集、8KB片上SRAM、可編程外部總線(xiàn)接口(EBI)、3通道16位計數器/定時(shí)器、32個(gè)可編程I/O口、中斷控制器、2個(gè)USART、可編程看門(mén)狗定時(shí)器、主時(shí)鐘電路和 DRAM時(shí)序控制電路，并配有高級節能電路;同時(shí)，可支持JTAG調試，主頻可達到40MHz。